Paano nakakatulong ang mga epitaxial layer sa mga semiconductor device?

Ang pinagmulan ng pangalang epitaxial wafer

Una, ating palaganapin ang isang maliit na konsepto: ang paghahanda ng wafer ay may kasamang dalawang pangunahing kawing: paghahanda ng substrate at prosesong epitaxial. Ang substrate ay isang wafer na gawa sa semiconductor single crystal material. Ang substrate ay maaaring direktang pumasok sa proseso ng paggawa ng wafer upang makagawa ng mga semiconductor device, o maaari itong iproseso sa pamamagitan ng mga prosesong epitaxial upang makagawa ng mga epitaxial wafer. Ang epitaxy ay tumutukoy sa proseso ng pagpapatubo ng isang bagong layer ng single crystal sa isang single crystal substrate na maingat na naproseso sa pamamagitan ng pagputol, paggiling, pagpapakintab, atbp. Ang bagong single crystal ay maaaring kapareho ng materyal ng substrate, o maaari itong maging ibang materyal (homogeneous) epitaxy o heteroepitaxy. Dahil ang bagong single crystal layer ay umaabot at lumalaki ayon sa crystal phase ng substrate, ito ay tinatawag na epitaxial layer (ang kapal ay karaniwang ilang microns, kung ihahalintulad ang silicon: ang kahulugan ng silicon epitaxial growth ay nasa isang silicon single crystal substrate na may tiyak na oryentasyon ng kristal. Isang layer ng kristal na may mahusay na integridad ng lattice structure at iba't ibang resistivity at kapal na may parehong oryentasyon ng kristal gaya ng substrate na pinalaki), at ang substrate na may epitaxial layer ay tinatawag na epitaxial wafer (epitaxial wafer = epitaxial layer + substrate). Kapag ang device ay ginawa sa epitaxial layer, ito ay tinatawag na positive epitaxy. Kung ang device ay ginawa sa substrate, ito ay tinatawag na reverse epitaxy. Sa ngayon, ang epitaxial layer ay gumaganap lamang ng isang supporting role.

Pinakintab na wafer

Mga pamamaraan ng paglaki ng epitaxial

Molecular beam epitaxy (MBE): Ito ay isang teknolohiya ng semiconductor epitaxial growth na isinasagawa sa ilalim ng mga ultra-high vacuum na kondisyon. Sa pamamaraang ito, ang pinagmumulan ng materyal ay pinapasingaw sa anyo ng isang sinag ng mga atomo o molekula at pagkatapos ay idineposito sa isang mala-kristal na substrate. Ang MBE ay isang napaka-tumpak at kontroladong teknolohiya ng semiconductor thin film growth na maaaring tumpak na makontrol ang kapal ng idinepositong materyal sa antas ng atomo.
Metal organic CVD (MOCVD): Sa proseso ng MOCVD, ang organikong metal at hydride gas N2 gas na naglalaman ng mga kinakailangang elemento ay ibinibigay sa substrate sa naaangkop na temperatura, sumasailalim sa isang kemikal na reaksyon upang makabuo ng kinakailangang materyal na semiconductor, at idineposito sa substrate, habang ang natitirang mga compound at mga produkto ng reaksyon ay inilalabas.
Vapor phase epitaxy (VPE): Ang vapor phase epitaxy ay isang mahalagang teknolohiyang karaniwang ginagamit sa paggawa ng mga semiconductor device. Ang pangunahing prinsipyo ay ang pagdadala ng singaw ng mga elemental na sangkap o compound sa isang carrier gas, at pagdeposito ng mga kristal sa substrate sa pamamagitan ng mga kemikal na reaksyon.

Anong mga problema ang nalulutas ng proseso ng epitaxy?

Tanging ang mga bulk single crystal materials lamang ang hindi makakatugon sa lumalaking pangangailangan ng paggawa ng iba't ibang semiconductor device. Samakatuwid, ang epitaxial growth, isang thin-layer single crystal material growth technology, ay binuo noong katapusan ng 1959. Kaya ano ang partikular na kontribusyon ng epitaxy technology sa pagsulong ng mga materyales?

Para sa silicon, noong nagsimula ang teknolohiya ng paglago ng silicon epitaxial, ito ay talagang isang mahirap na panahon para sa produksyon ng mga silicon high-frequency at high-power transistors. Mula sa pananaw ng mga prinsipyo ng transistor, upang makakuha ng high frequency at high power, ang breakdown voltage ng collector area ay dapat mataas at ang series resistance ay dapat maliit, ibig sabihin, ang saturation voltage drop ay dapat maliit. Ang una ay nangangailangan na ang resistivity ng materyal sa collecting area ay dapat mataas, habang ang huli ay nangangailangan na ang resistivity ng materyal sa collecting area ay dapat mababa. Ang dalawang probinsya ay magkasalungat sa isa't isa. Kung ang kapal ng materyal sa collector area ay babawasan upang mabawasan ang series resistance, ang silicon wafer ay magiging masyadong manipis at marupok para maproseso. Kung ang resistivity ng materyal ay babawasan, ito ay sasalungat sa unang kinakailangan. Gayunpaman, ang pag-unlad ng epitaxial technology ay naging matagumpay. Nalutas ang kahirapang ito.

Solusyon: Magtanim ng high-resistivity epitaxial layer sa isang substrate na may napakababang resistensya, at gawin ang aparato sa epitaxial layer. Tinitiyak ng high-resistivity epitaxial layer na ito na ang tubo ay may mataas na breakdown voltage, habang ang low-resistance substrate ay binabawasan din nito ang resistensya ng substrate, sa gayon ay binabawasan ang saturation voltage drop, sa gayon ay nalulutas ang kontradiksyon sa pagitan ng dalawa.

Bukod pa rito, ang mga teknolohiyang epitaxy tulad ng vapor phase epitaxy at liquid phase epitaxy ng GaAs at iba pang III-V, II-VI at iba pang mga materyales na molecular compound semiconductor ay lubos ding naunlad at naging batayan para sa karamihan ng mga microwave device, optoelectronic device, power device. Ito ay isang kailangang-kailangan na proseso ng teknolohiya para sa produksyon ng mga device, lalo na ang matagumpay na aplikasyon ng teknolohiyang molecular beam at metal organic vapor phase epitaxy sa manipis na mga layer, superlattice, quantum well, strained superlattice, at atomic-level thin-layer epitaxy, na isang bagong hakbang sa pananaliksik sa semiconductor. Ang pag-unlad ng "energy belt engineering" sa larangan ay naglatag ng matibay na pundasyon.

Sa mga praktikal na aplikasyon, ang mga wide bandgap semiconductor device ay halos palaging ginagawa sa epitaxial layer, at ang silicon carbide wafer mismo ay nagsisilbi lamang bilang substrate. Samakatuwid, ang kontrol ng epitaxial layer ay isang mahalagang bahagi ng industriya ng wide bandgap semiconductor.

7 pangunahing kasanayan sa teknolohiya ng epitaxy

1. Ang mga epitaxial layer na may mataas (mababang) resistensya ay maaaring itanim sa pamamagitan ng epitaxial na paraan sa mga substrate na may mababang (mataas) resistensya.
2. Ang epitaxial layer na uri N(P) ay maaaring itanim nang epitaxial sa substrate na uri P(N) upang direktang bumuo ng PN junction. Walang problema sa kompensasyon kapag ginagamit ang diffusion method upang makagawa ng PN junction sa isang crystal substrate.
3. Kasama ng teknolohiya ng maskara, isinasagawa ang pumipiling epitaxial growth sa mga itinalagang lugar, na lumilikha ng mga kondisyon para sa produksyon ng mga integrated circuit at device na may mga espesyal na istruktura.
4. Ang uri at konsentrasyon ng doping ay maaaring baguhin ayon sa mga pangangailangan sa panahon ng proseso ng epitaxial growth. Ang pagbabago sa konsentrasyon ay maaaring isang biglaang pagbabago o isang mabagal na pagbabago.
5. Maaari itong tumubo ng mga heterogeneous, multi-layered, multi-component compound at ultra-thin layers na may pabagu-bagong mga bahagi.
6. Ang epitaxial growth ay maaaring isagawa sa temperaturang mas mababa kaysa sa melting point ng materyal, ang bilis ng paglaki ay kontrolado, at maaaring makamit ang epitaxial growth na may kapal na atomic-level.
7. Maaari itong magpalago ng mga materyales na may iisang kristal na hindi maaaring hilahin, tulad ng GaN, mga patong na may iisang kristal ng mga tertiary at quaternary compound, atbp.